Advanced Materials:高能态纳米非晶合金,助力电催化性能提升

  1. 背景介绍

非晶合金(MG,又称金属玻璃)是一类多组元亚稳态新型合金材料。非晶合金具有复杂无序的原子结构,同传统的晶体材料相比,具有更优异的力学、物理和化学特性,成为材料科学和凝聚态物理领域研究的热点。特别是无序结构、高密度低配位点和高吉布斯自由能,使非晶合金成为电化学催化剂家族中极具潜力和竞争力的新候选材料。目前非晶合金在电解水析氢、析氧以及偶氮染料降解反应中的催化性能均已有研究报道。然而,对于实际应用,非晶合金的性能仍然有待提升。非晶合金无序结构是世纪难题,因此如何在原子/纳米尺度对非晶合金进行结构设计调控从而使其催化性能提升仍然是一个巨大的挑战。

  • 文章概述

近日,南京理工大学冯涛教授团队联合中科院物理所孙保安研究员团队基于非晶合金能量状态可调的性质,设计出一种具有高能量状态的纳米结构非晶合金(Ni-P NG)催化剂。在均匀的非晶合金中引入界面和结构不均匀性,制备类似纳米晶材料的纳米非晶,大幅提升了非晶合金的能量状态,从而带来更高效的催化性能。

3. 图文导读

图1. 脉冲电沉积法制备的Ni-P纳米结构金属玻璃

图2. Ni-P纳米结构金属玻璃NG与普通金属玻璃MG的结构表征

本文首先通过脉冲电沉积法制备出纳米结构金属玻璃(Ni-P NG),由不同结构的非晶区域构成(团簇区域I+界面区域II),与普通的金属玻璃相比,在结构上呈现高度不均匀性特征。

图3. Ni-P纳米结构金属玻璃NG与普通金属玻璃MG的能量表征

从能量的角度对Ni-P NG和MG进行分析,得出以下结论:i)  DSC结果显示Ni-P NG具有更低的晶化温度(Tx)和更高的焓变值(ΔH),应力弛豫的测试结果体现出Ni-P NG具有更多的流变单元。这些都揭示了Ni-P NG出一种更高的体能量状态;ii) AM-FM结果表明Ni-P NG的表明同时具有更小的模量值,直接反映出更高的表面能量状态。以上结果表明了纳米非晶具有极高的能量状态(包括体能量和表面能量)的特点。

图4. Ni-P纳米结构金属玻璃NG与普通金属玻璃MG的催化性能与结构表征。

如图4的a-d所示,Ni-P NG在UOR和HER上的催化效果都有显著提升,表现为过电势的显著降低和反应动力学的增加(Rct更小),同时,伴随电子价态发生不同的变化。可见,高能量状态的纳米非晶合金可以显著提升材料的催化性能,其中包括阳极(尿素氧化反应,UOR)和阴极(析氢反应,HER)催化反应。

图5. 改性后Ni-P纳米结构金属玻璃NG的催化性能与结构表征

具有高度的结构不均匀性Ni-P NG,是制造独特的蜂窝状纳米孔结构的理想前驱体。通过化学脱合金,得到蜂窝状纳米多孔的Ni-P NG,在UOR中表现出更加优异的催化性能。例如,在10 mA/cm2的电流密度下,改性的Ni-P NG的电势仅为1.36 V, 而且反应的Tafel斜率为13 mV/dec,伴随着更快的反应动力学和更稳定的催化效果,这是Ni基合金中UOR性能最好的新型材料。

4. 结论

本研究采用纳米结构化概念为合成超高能量非晶合金材料提供了一种简便、通用的方法,为非晶高效催化材料的进一步研究提供了新思路。由NG内部结构缺陷与纳米孔结构的形成相结合带来的高催化活性,为清洁能源领域提供了新的应用。

5. 致谢

该项目得到国家自然科学基金项目(No. 52101195, No. 51571119, No. 52192602, No. 51520105001, No. 51871120)、中央高校基本科研业务费专项资金(No. 30919011404, No. 30920021156, No. 30916011106)、江苏省自然科学基金项目(No. BK20190480, No. BK20200019)、广东省基础与应用基础研究重大专项(2020B1515120092)、江苏省创新项目、青蓝项目以及江苏省特聘教授项目的大力支持

6. 通讯作者介绍

冯涛南京理工大学材料学院/格莱特研究院教授,博士生导师。主要从事纳米结构金属材料的制备、结构表征及性能开发研究工作。2007年获上海市青年科技启明星称号;2008年获上海市创新人才称号;2010年获上海市科技进步奖三等奖;同年获“洪堡学者”称号,赴德国卡尔斯鲁厄纳米技术研究所与纳米材料创始人Herbert Gleiter教授合作开展纳米非晶合金材料的开创性研究工作。2013年加入南京理工大学格莱特纳米研究所,担任所长助理,全面负责纳米晶与非晶课题组创建工作。2016年获江苏省特聘教授和青蓝工程江苏省高校中青年学术带头人称号,2020年获国际先进材料学会会士荣誉称号。负责研发了具有自主知识产权的国际上最先进的激光气固超高真空互联系统;开发了多相脉冲电沉积法用于制备纳米非晶合金,成为继气体冷凝法和磁控溅射法后第三种纳米非晶合金制备技术;开发了纳米双相高熵合金复合材料,开拓了纳米高熵合金材料研究的新方向。近三年来作为项目负责人承担了国家自然科学基金面上项目和江苏省自然科学基金项目等多项,已在Adv. Mater., Nano Lett., Acta Mater., J. Mater. Sci.&Tech.等国内外学术期刊发表论文120余篇;同时申请了发明专利20余项,获得专利授权5项。

孙保安,中国科学院物理研究所副研究员、博士生导师、国家优秀青年基金获得者,松山湖材料实验室绿色非晶材料团队负责人。主要从事非晶态合金的结构、力学变形机理以及新型非晶态材料的开发和应用等方面,从原子、介观到宏观多尺度研究了非晶态合金的形变机制,建立了不同尺度结构特征与非晶宏观塑性的关联,再此基础上开发出了高强高韧非晶合金基新材料和具有优异软磁性能的非晶纳米晶材料,探索了其在机器人、消费电子、5G通讯等领域的应用。在包括Phys. Rev. Lett., Sci. Adv., Prog. Mater. Sci., Adv. Mater., Acta Mater.等期刊发表SCI论文80余篇,总引用次数3000余次,申请专利14项获授权3项。承担国家重点研发计划课题,国家自然科学基金重大项目课题、优秀青年基金等项目。2019年获国家自然科学二等奖 (第三完成人)。曾获中国科学院院长优秀奖(2011)、中国材料大会非晶与高熵合金分会杰出青年科学家奖(2017)等荣誉。

陈双琴,南京理工大学材料学院/格莱特研究院讲师。博士毕业于清华大学材料学院。2018年入职南京理工大学材料学院/格莱特研究院,2019年获得江苏省双创博士。研究方向主要为非晶合金、高熵合金及纳米晶合金等亚稳态材料合成与催化降解性能调控,发现非晶合金纳米化处理反常提高催化性能的新现象,获得了高效率和高活性稳定性,提出了新的活性提升机制。主持国家自然科学基金青年基金和江苏省自然科学基金青年基金项目,已在Adv. Mater., J. Mater. &Chem. A, J. Mater. Sci. & Tech.等国内外学术期刊上发表论文20余篇。

论文信息:

Nanostructured Metallic Glass in a Highly Upgraded Energy State Contributing to Efficient Catalytic Performance

Chaoqun Pei#, Shuangqin Chen#,*, Tianchen Zhao, Mai Li, Zhaotao Cui, Baoan Sun*,

Sigui Hu, Si Lan, Horst Hahn, and Tao Feng*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202200850

原文链接:

https://doi.org/10.1002/adma.202200850